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複金属窒化物薄膜におけるバルク反強磁性スキルミオン

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ1581
補助金の研究課題番号 22J15651 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
研究機関名古屋大学

研究代表者

QIANG BOWEN  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 研究員

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード反強磁性スキルミオン / トポロジカルホール効果 / ノンコリニア磁気抵抗効果 / トポロジカルスピンホール効果 / トポロジカルネルンスト効果 / 磁気スキルミオン / Lorentz-TEM
研究開始時の研究の概要

本研究は、広い温度範囲で応用可能な高感度な熱流センサーを実現するための強磁性スキルミオンFe2-xMo3Nエピタキシャル薄膜におけるトポロジカルネルンスト効果と異常ネルンスト効果に関する研究である。Fe2-xMo3Nは、4 Kから室温までの温度範囲で60nm程度の微小なスキルミオンを有することから、高感度な熱流センサー応用に必要なトポロジカルネルンスト効果を発揮することが期待されている。

研究実績の概要

本研究では、反強磁性スキルミオンの実現とそのデバイス応用を目指して、充填型β-Mn型カイラル強磁性体/反強磁性体A2Mo3N(A = Fe, Co, Pd)を用いた。Cサファイヤ基板上で反応性スパッターリング法によりエピタキシャル薄膜成長を行い、磁性元素(Fe、Co)と重金属元素(Pd)の組成を制御することで、スキルミオンの生成に関わるDzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)の制御を試みた。その結果、(Fe, Pd)2Mo3Nにおいて室温で動作する微小サイズ(60 nm)の強磁性スキルミオンの生成に成功しました。これをLorentz-TEM顕微鏡法、トポロジカルホール効果 (THE)、およびノンコリニア磁気抵抗効果 (NCMR) を通じて評価した。(Co, Pd)2Mo3Nにおいては、Pdドープにより反強磁性ネール温度が室温以上に上昇し、反強磁性副格子によるカンティングによって弱磁化が観測された。さらに、巨大異常ホール効果の発見、トポロジカルホール効果の消失、およびノンコリニア磁気抵抗効果の観測から、室温で反強磁性スキルミオンが存在することが強く示唆された。
本研究により開発された(Fe, Pd)2Mo3N強磁性スキルミオンは、カイラル磁性体の中で最も大きなDMIを得られたため、室温において微小サイズのスキルミオンの実現に成功し、巨大なトポロジカルホール効果が観測され、スキルミオンによるトポロジカルネルンスト効果を利用した熱電変換デバイスへの応用が期待され、現在研究が進行中である。
一方、(Co, Pd)2Mo3Nカイラル反磁性体では、反強磁性であるため磁性が非常に弱く、顕微鏡法による観察が難しいという課題がある。しかし、トポロジカルスピンホール効果の観測により、反強磁性スキルミオンの更なる実証が可能と考えられ、現在研究が進行中である。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Magnetic and transport properties of chiral antiferromagnetic Co2-x Pdx Mo3N thin films2023

    • 著者名/発表者名
      B. W. Qiang, T. Fukasawa, T. Hajiri, T. Ito, T. Hihara, and H. Asano
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 11 号: 2 ページ: 025138-025138

    • DOI

      10.1063/9.0000454

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Magnetic phase diagram and vanishing topological Hall effect in the chiral antiferromagnet Co<sub>2?x </sub>Pd<sub> x </sub>Mo<sub>3</sub>N2022

    • 著者名/発表者名
      Qiang Bowen、Fukasawa Takeru、Hajiri Tetsuya、Ito Takahiro、Hihara Takehiko、Asano Hidefumi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 号: 12 ページ: 120901-120901

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac9a92

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Topological Nernst effect by skyrmions in the filled β-Mn-type Fe2-xPdxMo3N Chiral Magnetic Thin Films2024

    • 著者名/発表者名
      B. W. Qiang
    • 学会等名
      IEEE International Magnetics Conference 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum transport properties of chiral antiferromagnetic Co2-xPdxMo3N thin films2024

    • 著者名/発表者名
      B. W. Qiang
    • 学会等名
      25th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] X-ray magnetic circular dichroism study on skyrmion host chiral ferromagnetic Fe2-xPdxMo3N thin films2023

    • 著者名/発表者名
      B. W. Qiang
    • 学会等名
      IEEE International Magnetics Conference 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] X-ray magnetic circular dichroism study of skyrmion-host chiral ferromagnetic Fe2-xPdxMo3N thin films2023

    • 著者名/発表者名
      B. W. Qiang
    • 学会等名
      DEJI2MA International Conference 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Anomalous and Topological Nernst effect of skyrmions in the filled β-Mn-type Chiral Magnet Fe2-xPdxMo3N2023

    • 著者名/発表者名
      B. W. Qiang
    • 学会等名
      DEJI2MA International Conference 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 磁気スキルミオンの観測及び量子輸送特性―強磁性から反強磁性へ2023

    • 著者名/発表者名
      強 博文
    • 学会等名
      第86回日本磁気学会スピントロニクス専門研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 充填型β-Mn構造カイラル強磁性/反強磁性体における磁気スキルミオンの観測及び量子輸送特性2023

    • 著者名/発表者名
      強 博文
    • 学会等名
      2023年東北大学RIEC共同プロジェクト研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Magnetic and Transport Properties of Chiral Antiferromagnetic Co2-xPdxMo3N Thin Films2022

    • 著者名/発表者名
      B. W. Qiang
    • 学会等名
      The 2022 Magnetism and Magnetic Materials Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] カイラル磁性体Fe2-xPdxMo3Nにおけるトポロジカルホール効果2022

    • 著者名/発表者名
      強 博文
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 充填構造カイラル磁性体における磁気スキルミオンのトポロジカル量子物性2022

    • 著者名/発表者名
      強 博文
    • 学会等名
      第46回日本磁気学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] カイラル反強磁性Co2-xPdxMo3Nにおける磁気状態と輸送特性2022

    • 著者名/発表者名
      強 博文
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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